地面瞬變電磁法在煤礦采空區積水調查中的應用

范曉飛

（山西省煤炭地質144勘查院物探公司，山西 臨汾 041600）

1 勘探區概況

該井田位于山西省鄉寧縣西南邊緣的西坡鎮毛則渠、趙院、要坡底、喬子坡、史家灣、湛泉、鐵尖村、中咀村一帶，行政區劃屬西坡鎮管轄。井田地處呂梁山脈南端，黃土高原地帶，山區侵蝕地貌，梁、垣、峁發育，為溝谷縱橫，地形十分復雜，總的地勢為東北部、西北部高，中部、中南部低，地形最高點為井田北東部山梁上三角點，標高為1094.65 m，地形最低點為井田西南部毛則渠溝谷邊界處，標高為765.00 m，相對高差329.65 m。該地屬中低山區。

本次勘探區內地面最高點，位于勘探區40線560點附近，標高978.81 m，地面最低點位于勘探區中部的溝谷內，15線20點附近，標高808.88 m，相對最大高差約170 m。溝谷、梁塬的分布清晰可見。開拓方式為斜井開拓，有主斜井、副斜井及回風斜井三個井口。礦井生產能力為50萬t/a，僅開采山西組2號煤層，煤層埋藏較淺，月平均產量30750 t。區內大部分已采空，采空區主要分布在井田的西、中、南部。瓦斯、二氧化碳含量低，屬瓦斯礦井，礦井主要涌水為頂板砂巖裂隙水，正常涌水量7 m3/h，最大涌水量15 m3/h[1]。

2 瞬變電磁法的運用

瞬變電磁法又稱時間域電磁法，簡稱TEM，屬于電磁感應類探測方法，遵循電磁感應原理[2]。

2.1 工作方法

山西省煤炭地質144勘查院物探公司測量人員優先進場開始選點、埋石等控制測量工作。本次測量工作平面坐標采用1980西安坐標系，3°帶高斯投影，中央子午線111°，高程采用1985年國家高程基準。地形圖采用的是甲方提供的1：5000地形地質圖。所有物理點均采用RTK動態實時定位。本次測量采用（RTK）技術作業，以已知點為基礎建立基準站，流動站以各測線的設計坐標為準，放樣到實地。采用二維測網布設，測網密度為40 m×20 m，即線距40 m，點距20 m，測線沿南北方向布置，由西向東測線編號依次增大。本區控制面積1.2 km2，瞬變電磁法設計施工網度為40 m×20 m，布設瞬變電磁測線41條，坐標點1353個，質量檢查點41個，試驗點30個，總計物理點1424個。勘探區內2號煤層埋深為81～286 m，探測目標包括K8砂巖和K2+K3灰巖含水層，本次物探探測深度最淺為40 m左右，最深為330 m左右。

2.2 段試驗過程分析

圖1為TEM9線300～600段試驗收集已知地質資料示意圖。從圖中大體可看出460～600段為2號煤層采空區，300～460段為正常煤層。據調查，460～600段采空區為本礦開采所致，采空區范圍較準確。試驗位置選取在此目的是為了檢驗瞬變電磁法在采空區和正常區的是否存在明顯的電性差異。

圖2為TEM9線300～600號點擬視電阻率等值線斷面圖。圖中橫坐標表示距離，縱坐標表示標高。從圖中大體可看出，淺部盲區約為40 m左右，埋深在150 m以上擬視電阻率相較低，為二疊系上統地層的電性反映；埋深在150～250 m擬視電阻率相對中等，為煤系地層的電性反映；埋深在300 m以下擬視電阻率隨深度遞增逐漸增大，為奧陶系灰巖的電性反映。圖2中440～600號點之間，2號煤層附近擬視電阻率等值線發生扭曲變化，擬視電阻率ρτ≤51 Ω·m，擬視電阻率等值線呈下凹趨勢，呈明顯相對低阻異常反映，推斷為2號煤層采空區。斷面圖較好地反映了地層分布特征，與已知地質資料基本吻合。

圖1 TEM9線300～600段試驗收集已知地質資料示意圖

圖2 TEM9線300～600段擬視電阻率等值線斷面圖

3 資料分析與解釋

此次勘探成果眾多，筆者特此對TEM2號煤層視電阻率順層切片圖進行分析。圖3為TEM2號煤層擬視電阻率順層切片圖，圖中橙色、黃色、綠色、藍色的過渡表示擬視電阻率由高到低的變化過程。結合前述異常劃分方法和整個測區內2號煤層及附近擬視電阻率情況，統計最小擬視電阻率ρτ為40 Ω·m，最大擬視電阻率ρτ為77 Ω·m，算術平均值為55 Ω·m。標準偏差為6.23，設定52 Ω·m為低阻異常區的閾值，即為小于該值的區域為相對低阻異常區，向異常區中心方向，擬視電阻率值逐漸降低，異常強度增強，填充顏色也逐漸加深。

如圖3所示，該順層切片圖中共發現明顯的低阻異常區4處，編號分別為YC-1、YC-2、YC-3、YC-4。其中，YC-1、YC-4為主要異常區。各異常區分析詳述如下：YC-1位于勘探區西南部，異常范圍中等，異常相對較強；YC-2位于勘探區南中部，異常范圍較小，此處分布有井下水倉，異常相對中等；YC-3位于勘探區中東部，異常范圍較大，此處井下分布有多條巷道，異常相對中等；YC-4位于勘探區西北部，異常范圍較大，異常相對較強。根據已知地質和水文資料可知，該異常區存在2號煤層已知采空區，異常反映明顯，低阻圈閉狀等值線形態與已知采空區范圍也基本一致。

圖3 TEM2號煤層擬視電阻率順層切片圖

在勘探區西北部分布有1處相對高阻異常區，圖中用黑色線框圈定，此處井下分布有多條巷道；在東北部分布有1處相對高阻異常區，圖中用黑色線框圈定，此處可能為上分層采空導致的異常區。而2號煤層位于山西組中下部，煤層厚度3.55～8.65 m，平均厚度為6.53 m，北部較厚，南部較薄。煤層頂板大部分為粉砂巖、泥巖，其老頂為一層中－細粒砂巖。底板大部分為粉砂巖和泥巖，個別孔為細粒砂巖。因此，2號煤層為全區穩定可采煤層。

4 結論

作為一項相對應用廣泛的技術，瞬變電磁法具有快速、簡便、測距大、對水敏感、定向性好等優勢[3]。它已成為礦井物探技術的重要手段，解決了礦井不明水害威脅影響生產的問題，增強了探測的準確性[4]。本次地面電法勘探完成了合同要求的采集任務和工程量。筆者以為，對物探確定的積水區和富水區進行驗證和探放時，建議加強采掘前的水文監測和礦井物探工作，地面、井下相結合的綜合物探手段是解決相對復雜地質問題的更好選擇。